丰田新型混动变速器—黑武器L310

1 概述

早在1993年，丰田公司就提出了影响深远的THS功率分流混合动力系统，并搭载普锐斯等车型逐步上市，其油耗低的惊人，所以销量也是一路飙升，以至于获得“世界上只有两种混动，一种还是丰田的混动，一种是丰田以外的混动”这种高度的评价。

雷克萨斯作为丰田旗下的一个豪华品牌，包括多款豪华轿车、SUV和跑车车型，其产品也是一直以来给人更多的是奢华和舒适的感觉。

但丰田对这个高端品牌的追求不仅局限于此，所以在2006年就将基于THS系统开发的L110混合动力变速箱搭载雷克萨斯GS和雷克萨斯LS上市销售，力求追求更好的动力性和经济性。

在近年，丰田为了赋予雷克萨斯更多的激情和创新，推出了L110改款升级的L310多级混合动力变速箱，并搭载雷克萨斯LC500h跑车和雷克萨斯LS500h轿车于2018年在国内销售（其“h”是代表混动的意思）。

这套多级混合动力系统（Multi-stage Hybrid System）采用前置后驱的布置方式，发动机位于前舱，变速箱纵向布置。

整个动力系统由3.5L自然吸气的V6发动机和带双电机的自动变速箱组成，其综合最大功率可达264Kw，百公里加速时间小于5s，工信部综合油耗在6.8L/100km。

这款V6发动机采用了一些主流的技术配置，其中包括电机驱动的进、排气门正时系统、缸内直喷技术、废气再循环技术等。

发动机最大功率为220kW/6000rpm，最大扭矩350Nm/4900rpm，压缩比为13。

所采用的变速箱相当于在以往丰田的THS混合动力系统的基础上增加了一个4AT变速箱串联起来。

通过两者状态的变化，可以模拟10个不同的挡位。

所匹配的动力电池为锂电池，容量为1.1kwh，由48个电池单体组成，总电压为210.8V，采用主动式风冷进行冷却。

2.变速器结构

变速器L310由输入轴、发电机、驱动电机、油泵、动力分割机构、变速器换挡机构、液压控制系统和输出轴组成。

其中输出轴的前端和V6发动机连接，后端和动力分割机构连接。

发电机的主要作用是用于发电，驱动电机用于直接驱动整车行驶。其驱动电机的功率为45KW，可实低速时驱动整车行驶。

动力分割机构用于调配发动机、发电机和驱动电机三者之间的功率关系。变速换挡机构也即前面所述的4AT变速箱，前端和分离分割机构连接，后端为输出端，连接后桥的差速器驱动整车行驶。

变速箱的换挡动作通过液压控制系统来实现，位于变速箱下方。同时在两个电机之间设计有一油泵，用于整个变速箱的液力驱动和润滑冷却。

变速器L310的齿轮传动系中包含3排行星齿轮机构。其前排行星齿轮机构也即前述动力分割机构，太阳轮连接发动机，行星架连接发动机，齿圈连接驱动电机和后端4AT变速装置。

中行星齿轮机构和后行星齿轮机构为4AT变速装置的主体部分，再结合C1/C2离合器、B1/B2制动器、F1单向离合器就组成了具备4个档位的变速换挡装置。

在初代的L110的变速箱中也采用了THS的功率分流系统，但变速换挡装置集成在驱动电机的转子内部，并且为两级的减速装置，从结构来看，该装置只能实现驱动电机的两个档位变化，发动机部分的动力仍为单档传递，其在整车使用工况的匹配上会有一定缺陷。

所以L310变速箱将变速换挡装置迁移至输出轴上，完全位于动力耦合系统的后端，并且设计为4速的变速换挡装置，通过两个部分的配合，模拟10不同的档位。这样显然会增加变速箱总成的轴向长度，但在纵置式的整车中，该问题还是相对容易克服。

那么，档位增多之后整车的燃油经济性和动力性又如何呢？我们接着探讨。

  3.提升动力性

从图中可以看到，在L310中新增的4AT变速箱最大的作用就是扩大发动机的工作范围，从而提升车辆在日常行驶车速下的提速性能以及降低车辆高速巡航时的发动机转速。

其简单理解就是，整车在低速行驶中，采用传动比较小的档位行驶，将有助于整车加速，同样地，在整车高速行驶巡航时，采用传动比较小的高速档行驶，有效降低发动机的转速，从而获得更高的最高车速。

发动机扭矩在低速时随着转速的升高扭矩才会逐渐升高，电机在低速区间恒扭矩区间，所以在低速时采用大传动比的低速档位，将有效提高动力总成的输出驱动力。

从上图对比来看，L310较L110在低速时最大可以增加约50%的驱动力。这将使得整车具有更优秀的加速性能和最大爬坡度。

前面已经分析，在L110结构中，发动机和两电机的混合动力在输出时只有一种传递路径，如图中红色虚线囊括的效率板块。

但在L310增加至4个档位之后，可明显增加总成的效率区间，也即4个档位的传动装置能够让发动机和两电机尽量工作在高效率区间。其原理同理解为什么两档减速器比单档减速器更能让电机工作在高效率区间相同。可以看到，总成效率区间增大，可有效提高总成的燃油经济性。

在采用湿式离合器的变速箱中，大多的机械损失来源于拖拽损失。所以L310变速器在保证离合器正常性能的技术上，对离合器上做了以下改进来较少拖拽损失。

拖拽损失主要来源于离合器和制动器的摩擦材料之间，所以需保证润滑充分。

制动器和壳体之间会积存润滑油，摩擦片搅拌润滑油会带来拖拽损失，所以在制动器钢片花键齿处设计缺口排油。

离合器毂之间也会积存润滑油，通过调整摩擦片之间的合适间隙来改善润滑油的排油性能。

重新设计摩擦片的形状，改善润滑油的排出性能，降低拖拽损失。

从前面的机构介绍中可以看到，整个L310的变速器轴向长度较长，整车在加速和减速过程中，润滑油会汇集到前端或者后端，同时液压控制系统也位于变速器的底部，但为了保证变速器和电机的正常冷却和润滑，那就需要加注很多的润滑油来铺满整个变速箱底部，这势必增加整个变速器的重量，并且会增多损失。

丰田在油泵下端采用一可转动的挡板，将变速器的底部分割为两个储油空间,从而减少2L的润滑油。

在整车减速时，底部润滑油由于惯性往前移动，此时挡板瞬时将油道封住，防止润滑瞬间聚集到发电机底部。但挡板并不封死油道，保证润滑发电机的润滑油可以回到变速器底部。

当整车急加速时，润滑油向变速器后端聚集，吸油口布置在靠后的位置从而达到防止吸入空气的目的。

丰田的这套L310多级混合动力系统结构相对复杂，其虚拟档位多达10个档位，所匹配的也是雷克萨斯的百万级车型，想必其竞争和车型也会是搭载采埃孚混合动力变速箱的宝马7系和奥迪Q5这类高端车型。

4 总结

通过L310和L110对比，多级混合动力系统确实具有更强劲的动力性和更优秀的燃油经济性。

从丰田公司在其研发过程中的对损失机械效率的改进技术和油量控制技术研究可以看出，其公司为了追求产品的最优性能，对产品的的确确进行了细致入微的研究，这种精益求精的工匠精神确实值得每个工程师学习。